覃瀟敏，農(nóng)玉琴，駱妍妃，陸金梅，覃宏宇，陳遠(yuǎn)權(quán)，韋錦堅(jiān)，韋持章

（廣西南亞熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，廣西 龍州 532415）

磷在植物生長發(fā)育、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)等方面具有不可替代的作用，而土壤中的低磷有效性已成為制約農(nóng)作物生產(chǎn)的重要因素［1-2］。土壤中的無機(jī)磷是植物吸收磷素的主要形態(tài)，一般占全磷含量的60%～80%，因此，無機(jī)磷形態(tài)的有效性對于土壤供磷能力起著關(guān)鍵作用［3］。紅壤是我國南方典型的磷有效性極低的土壤，由于其對磷具有極強(qiáng)的吸附和固定特性，磷肥施入后當(dāng)季利用率僅有10%左右，而剩余部分磷肥則以難溶態(tài)的Fe-P、O-P等積存在土壤中，造成巨大的浪費(fèi)與環(huán)境污染［4-5］。因此，研究紅壤中無機(jī)磷形態(tài)變化及其有效性，對于提高紅壤磷肥利用率、合理施肥具有深遠(yuǎn)的意義。

間作是一種基于生物多樣性的種植模式，具有養(yǎng)分高效利用、控制病蟲害及增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的優(yōu)勢［6-8］。在小麥-蠶豆［9］、玉米-蠶豆［10］、玉米-花生［11］等間作體系中，間作通過改變根系形態(tài)、增加有機(jī)酸的分泌以及種間促進(jìn)作用等顯著促進(jìn)了磷的吸收。尤其在缺磷條件下，小麥-大豆間作增強(qiáng)了根系酸性磷酸酶的活性，提高了間作群體對磷的吸收［12］。這些現(xiàn)象表明，合理的作物間作能夠顯著改善作物的磷素營養(yǎng)狀況。但是前人的研究大多數(shù)關(guān)注的為間作通過根系形態(tài)與生理的可塑性變化來促進(jìn)磷吸收，而關(guān)于間作條件下土壤中無機(jī)磷組分變化及其有效性的研究尚少。

玉米-大豆間作是我國西南紅壤地區(qū)一種典型的種植模式，已有研究表明，在玉米-大豆間作體系中，間作通過根系交互作用及根系形態(tài)改變等促進(jìn)磷吸收［13-14］。然而在不同磷水平下，玉米-大豆間作對作物磷吸收及土壤無機(jī)磷形態(tài)變化的影響尚不明確。因此，本研究以廣西耕地紅壤作為研究材料，通過盆栽模擬試驗(yàn)，探討不同施磷水平對玉米-大豆間作作物生長及磷吸收的影響，并分析土壤中各無機(jī)磷形態(tài)的變化，以期為利用作物合理間作提高紅壤磷有效性以及磷養(yǎng)分吸收提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2020年5月在廣西南亞熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所格林溫室大棚中實(shí)施。該區(qū)屬典型的南亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均溫度在22 ℃以上，年降水量在1273.6 mm以上。土壤為典型的旱地紅壤，基本理化性狀：堿解氮34.67 mg/kg，有效磷6.07 mg/kg，速 效 鉀122.74 mg/kg，有 機(jī) 質(zhì)7.78 g/kg，pH 4.72。

供試材料：玉米（Zea maysL.）品種為桂單-165；大豆［lycine max（Linn.）Merr.］品種為桂春-15。挑選大小一致且籽粒飽滿的種子，用70% 乙醇進(jìn)行表面消毒10 min，用無菌水沖洗3次，然后用15%的H2O2消毒20 min，無菌水沖洗多次，洗凈殘留的H2O2，最后放置于濕潤的托盤中，于25℃恒溫培養(yǎng)箱中催芽，選擇芽長一致（約2 cm）的種子進(jìn)行播種。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽模擬試驗(yàn)采用塑料盆，其規(guī)格大小為：高度230 mm，底部直徑190 mm。土壤風(fēng)干過2 mm篩，每盆裝土10 kg。種植模式設(shè)玉米單作、大豆單作與玉米-大豆間作3種種植模式，間作處理按照1∶1種植，即每盆玉米與大豆各2株，單作處理每盆種植玉米或大豆4株（圖1）。施磷量設(shè)4個(gè)水平：不施磷（P0，0 mg/kg）、低磷水平（P50，50 mg/kg）、常 規(guī) 磷 水 平（P100，100 mg/kg）、高磷水平（P150，150 mg/kg），試驗(yàn)共12個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，隨機(jī)排列。氮肥施用量為150 mg/kg，鉀肥施用量為150 mg/kg，均按照純養(yǎng)分換算。

圖1 玉米與大豆不同種植模式示意圖

供試肥料：尿素（N 46%）、普通過磷酸鈣（P2O514%）、硫酸鉀（K2O 50%）。玉米氮肥分2次施用，50%作基肥，另外50%在玉米拔節(jié)期追施，磷、鉀肥均全部作為基肥；大豆不進(jìn)行追肥，氮、磷、鉀肥均作為基肥。整個(gè)生育期不噴施殺菌劑和殺蟲劑，定期按需要定量淋水及人工除草，并定期調(diào)換塑料盆的擺放位置。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 樣品采集

在玉米、大豆成熟期，沿著基部將地上部剪下，將地上部用水清洗干凈，在105 ℃殺青30 min后75 ℃烘干至恒重，分別稱干重，為地上部生物量。籽粒烘干至恒重，稱重，計(jì)算產(chǎn)量。植株樣品和籽粒粉碎過篩，待測全磷。將植株根系從土壤中整體挖出，然后用抖土法抖掉與根系松散結(jié)合的土壤，然后再將緊密貼合在根系上的土壤刷下來作為根際樣品。

1.3.2 測定方法

植株全磷用H2SO4-H2O2消煮，釩鉬黃比色法測定；各形態(tài)土壤無機(jī)磷含量根據(jù)張守敬和Jackson的方法［15］測定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)利用Excel 2010進(jìn)行處理。用SPSS 20.0進(jìn)行單因素方差分析、雙因素方差分析、多重比較（LSD法，α=0.05）。采用SPSS 20.0對植株磷素吸收量與土壤無機(jī)磷含量進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析、通徑分析及回歸分析，綜合分析無機(jī)磷形態(tài)對植株磷吸收的貢獻(xiàn)。

（1）土地當(dāng)量比（LER）用來評估間作系統(tǒng)的優(yōu)勢［16］，LER=YIM/YMM+YIS/YMS，式中，YIM和YMM分別為間作玉米和單作玉米的產(chǎn)量；YIS和YMS分別為間作大豆和單作大豆的產(chǎn)量，下同。LER＞1時(shí)，間作具有優(yōu)勢；LER＜1時(shí)，間作處于劣勢。

（2）種間相對競爭能力是衡量一種作物相對另一種作物對資源競爭能力大小的指標(biāo)［16］。本文以玉米相對于大豆為例：AMS＞0時(shí)，表明玉米競爭能力強(qiáng)于大豆；AMS＜0時(shí)，表明玉米競爭能力弱于大豆。公式：AMS=YIM/（YMM·Fm）-YIS/（YMS·Fs）。式中，F(xiàn)m和Fs分別為間作模式中玉米和大豆的種植比例（1∶1），下同。

（3）營養(yǎng)競爭比率是用來表示間作體系中一種作物相對于另一種作物對養(yǎng)分競爭能力強(qiáng)弱的指標(biāo)［17］。本文用玉米相對大豆對磷養(yǎng)分的競爭比率來衡量磷營養(yǎng)的競爭能力（CRms），公式：CRms=（PUIM/PUMM·Fm）/（PUIS/PUMS·Fs）。式 中，PUIM和PUIS分別為玉米和大豆在間作中的磷吸收量；PUMM和PUMS分別為玉米和大豆在單作中的磷吸收量。當(dāng)CRms＞1，表示玉米對磷素營養(yǎng)的競爭力強(qiáng)于大豆；當(dāng)CRms＜1，表示玉米對磷素營養(yǎng)的競爭力弱于大豆。

2 結(jié)果與分析

2.1 施磷對玉米-大豆間作作物地上部生物量及籽粒產(chǎn)量的影響

如表1所示，在P0、P50、P100和P150水平下，土地當(dāng)量比（LER）分別是1.79、1.47、1.45和1.42，隨著施磷量的增加，LER逐漸遞減但沒有顯著差異（P＞0.05）。在P0、P50、P100和P150水平下，間作玉米籽粒產(chǎn)量較單作玉米分別提高了178.79%、70.82%、70.12和100.52%；間作大豆籽粒產(chǎn)量在P50和P100水平下顯著增加22.46%和16.62%，而在不施磷和高磷水平下間作大豆產(chǎn)量沒有優(yōu)勢。

在P0、P50、P100和P150水平下，與單作相比，間作玉米地上部生物量分別增加43.41%、51.52%、38.95%和37.90%，間作大豆地上部生物量分別增加53.67%、46.13%、35.79%和12.44%（表1）。玉米和大豆地上部生物量隨著施磷肥量的遞增呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢，在P100水平下達(dá)到最大值?？梢?，適當(dāng)施磷肥與間作種植促進(jìn)了作物的生長。

表1 不同施磷水平對玉米-大豆間作地上部生物量及籽粒產(chǎn)量的影響 （g/株）

2.2 施磷對玉米-大豆間作作物磷吸收的影響

從表2可以看出，與單作相比，間作使玉米地上部、籽粒磷素吸收量分別顯著提高32.84%和64.58%，大豆地上部、籽粒磷素吸收量分別顯著提高28.71%、33.89%。與不施磷相比，施磷分別顯著提高玉米與大豆地上部磷素吸收量76.36%、127.87%、92.86%和65.31%、138.49%和87.22%，分別顯著提高玉米與大豆籽粒磷素吸收量5.23、7.20、5.61和8.59、16.96、4.49倍，并且磷素吸收量在P100處理最大。而且，由于施磷水平與種植模式對玉米籽粒、大豆地上部與籽粒磷素吸收量具有顯著的交互作用，間作玉米籽粒及間作大豆地上部的磷素吸收量在P0、P50、P100和P150水平下較單作處理分別顯著增加217.21%、67.33%、49.12%、65.90%和43.59%、22.28%、34.12%、20.58%，以及間作大豆籽粒磷素吸收量在P50和P100水平顯著提高79.14%和36.60%。

表2 不同施磷量對玉米-大豆間作磷素吸收量的影響 （mg/株）

2.3 施磷對玉米-大豆間作種間相對競爭能力與磷養(yǎng)分競爭比率的影響

由圖2A可以看出，在P0、P50、P100、P150水平下，玉米相對于大豆的資源競爭力（AMS） 都大于0，說明玉米對資源的競爭能力強(qiáng)于大豆。在不施磷（P0）時(shí)AMS最大，其次是高磷（P150）水平；在低磷（P50）水平下AMS最小，且與正常磷（P100）水平下的AMS無明顯差異。綜上說明在玉米-大豆間作群體中，玉米對資源的競爭能力大于大豆，尤其在不施磷或過量施磷水平下玉米對資源的競爭加劇。

玉米相對于大豆對磷養(yǎng)分的競爭比率（CRms）在P0、P50、P100、P150水平下均大于1（圖2B），說明玉米對磷養(yǎng)分的競爭能力大于大豆。在P150水平時(shí)CRms最大，其次為P0水平；在P100水平CRms最小，但各施磷處理間沒有明顯差異。綜上說明，在玉米-大豆間作體系中，適當(dāng)增施磷肥可以緩解玉米對磷資源的競爭，不施磷或過量施磷都會(huì)加劇玉米對磷資源的競爭。

圖2 玉米相對于大豆的資源競爭能力和對磷養(yǎng)分的競爭比率

2.4 施磷對玉米-大豆間作根際紅壤無機(jī)磷形態(tài)的影響

2.4.1 土壤各形態(tài)無機(jī)磷含量

從表3可以看出，與單作相比，間作使玉米根際紅壤Fe-P、Al-P、Ca-P、O-P和總無機(jī)磷含量分別顯著降低11.31%、14.99%、19.89%、15.94%和14.67%，使大豆根際紅壤Fe-P、Al-P、Ca-P、O-P和總無機(jī)磷含量也分別顯著降低12.53%、21.45%、18.76%、14.94%和15.52%。且隨著施磷水平的增加，玉米與大豆根際紅壤Fe-P、Al-P、Ca-P、O-P以及總無機(jī)磷含量均呈現(xiàn)遞增的變化趨勢，且含量在P150水平最大。

表3 施磷對玉米-大豆間作根際紅壤無機(jī)磷形態(tài)的影響 （mg/kg）

另外，由于磷水平和種植模式對玉米根際紅壤Fe-P、總無機(jī)磷含量具有顯著的交互效應(yīng)，對大豆根際紅壤Fe-P、Al-P及總無機(jī)磷含量同樣具有顯著的交互效應(yīng)。與單作種植相比，間作玉米和大豆根際紅壤總無機(jī)磷含量在P0、P50、P100、P150水平下分別顯著降低16.66%、13.39%、15.88%、13.54%和16.15%、14.08%、18.82%、13.31%，間作玉米根際紅壤Fe-P含量及間作大豆根際紅壤Al-P含量在P100和P150水平下分別顯著降低15.36%、10.85%和17.46%、27.04%，間作大豆根際紅壤Fe-P含量在P50、P100和P150水平下分別顯著降低11.71%、18.97%和8.53%。

2.4.2 土壤無機(jī)磷形態(tài)比例

土壤無機(jī)磷各形態(tài)占總無機(jī)磷比例情況如表4所示，F(xiàn)e-P與O-P是紅壤無機(jī)磷的主體，約占總無機(jī)磷含量的70%，其次是Ca-P與Al-P，總共占總無機(jī)磷含量的30%左右，這是本試驗(yàn)所用的紅壤性質(zhì)決定的，與胡寧等［18］的研究結(jié)果相接近。與單作相比，間作種植分別顯著提高了玉米和大豆根際紅壤中Fe-P占總無機(jī)磷含量的比例1.69和1.32個(gè)百分點(diǎn)；而對Al-P、Ca-P與O-P的比例影響較小，變化不明顯。此外，施磷肥分別顯著提高玉米和大豆根際紅壤中Fe-P與Al-P占總無機(jī)磷含量的比例3.58～14.92、2.05～7.34和3.40～12.0、2.67～7.28個(gè)百分點(diǎn)，而分別顯著降低Ca-P與O-P的比例2.91～7.58、2.72～14.68和3.38～8.04、2.69～11.22個(gè)百分點(diǎn)。

表4 各形態(tài)無機(jī)磷占總無機(jī)磷含量的比例 （%）

2.4.3 土壤不同形態(tài)無機(jī)磷的減少量

由表5可以看出，在玉米與大豆間作體系中，各形態(tài)無機(jī)磷均能為玉米與大豆植株提供磷素。其中，玉米與大豆植株利用的無機(jī)磷均主要來源于O-P、Fe-P和Ca-P，合計(jì)約分別占到土壤總無機(jī)磷減少量的86.58%和82.56%，Al-P也分別貢獻(xiàn)了13.41%和17.42%的無機(jī)磷。綜上表明，玉米與大豆間作促進(jìn)磷素吸收的最主要貢獻(xiàn)來源于土壤O-P、Fe-P和Ca-P含量的下降。

表5 間作模式下土壤中各形態(tài)無機(jī)磷減少量占無機(jī)磷減少總量的百分比 （%）

3 討論

3.1 施磷對玉米-大豆間作作物產(chǎn)量的影響

本研究表明，在磷有效性極低（6.07 mg/kg）的紅壤上，玉米-大豆間作具有明顯的產(chǎn)量優(yōu)勢，這與前人在小麥-蠶豆間作試驗(yàn)的研究結(jié)果一致［19-20］，并且間作導(dǎo)致玉米產(chǎn)量的增加較大豆更為顯著，這可能是因?yàn)橛衩讓Y源的競爭力大于大豆，使得間作體系玉米處于優(yōu)勢地位。本研究還表明，隨著施磷量的增加，玉米與大豆的籽粒產(chǎn)量也隨之增加，在常規(guī)供磷水平下產(chǎn)量最大，這與張夢瑤等［21］的田間試驗(yàn)結(jié)果類似，說明了玉米與大豆的產(chǎn)量同時(shí)受施磷量和種植模式的影響。

本試驗(yàn)條件下，在常規(guī)施磷量的基礎(chǔ)上減磷1/2（P50），間作玉米單株籽粒產(chǎn)量與P100水平下單作相比并未降低，反而有顯著增加的趨勢，間作大豆產(chǎn)量雖有降低但差異并不顯著，說明玉米-大豆間作具有節(jié)約磷肥的空間以及維持作物產(chǎn)量的潛力，但還需要結(jié)合田間試驗(yàn)進(jìn)行相互驗(yàn)證。

3.2 施磷對玉米-大豆間作作物磷素吸收的影響

研究表明，禾本科與豆科作物合理間作，如在小麥-蠶豆［21］、玉米-蠶豆［22］、玉米-白羽扇豆［23］等間作群體中，已被證實(shí)具有顯著的磷高效吸收的優(yōu)勢。在本試驗(yàn)中，與單作相比，玉米-大豆間作也具有明顯的磷高效吸收的優(yōu)勢，且間作促進(jìn)玉米磷吸收增加的優(yōu)勢大于大豆，這可能是由于玉米對磷素的競爭力比大豆強(qiáng)，當(dāng)玉米-大豆間作后玉米可吸收更多的磷素。另外，適當(dāng)增施磷肥可以緩解玉米與大豆對磷素營養(yǎng)的競爭，進(jìn)而促進(jìn)了玉米和大豆對磷素的吸收。因此，合理施磷進(jìn)一步提高了玉米-大豆間作群體的磷素吸收，這與焦念元等［24］的試驗(yàn)結(jié)果相類似。

本研究還發(fā)現(xiàn)，在盆栽常規(guī)施磷量的基礎(chǔ)上減磷1/2（P50），間作玉米的磷吸收量與P100水平單作相比并未降低，這說明玉米-大豆間作在適當(dāng)減磷的條件下仍能維持玉米的磷吸收，這與Li等［25］的研究結(jié)果一致，但是磷肥的具體用量還需要根據(jù)田間玉米生產(chǎn)的實(shí)際情況進(jìn)行量化減施。

3.3 施磷對玉米-大豆間作根際紅壤無機(jī)磷形態(tài)的影響

在禾本科與豆科間作群體中，豆科作物根系會(huì)分泌更多的有機(jī)酸、磷酸酶及質(zhì)子等促進(jìn)難溶性磷的活化，增強(qiáng)與其間作作物的磷營養(yǎng)［26-28］。柴博等［29］研究發(fā)現(xiàn)，在石灰性土壤上，玉米-鷹嘴豆間作通過鷹嘴豆根系分泌更多的有機(jī)酸來促使Ca-P、Al-P、Fe-P及O-P等難溶性磷酸鹽活化，促進(jìn)了玉米根系的磷吸收。Zhang等［10］通過根箱模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，玉米與蠶豆間作通過刺激蠶豆分泌大量的檸檬酸來活化土壤中有機(jī)磷向無機(jī)磷轉(zhuǎn)化，進(jìn)而增加玉米的磷吸收量。在本試驗(yàn)中，與單作種植相比，間作分別顯著降低了玉米與大豆根際紅壤的總無機(jī)磷含量，并且土壤中無機(jī)磷減少量主要以O(shè)-P、Fe-P和Ca-P為主，說明間作主要通過活化利用Fe-P、Ca-P和O-P等來提高玉米與大豆對磷的吸收。間作玉米根際紅壤Fe-P、Al-P、Ca-P及O-P等含量高于間作大豆，說明大豆對這幾種形態(tài)磷的耗竭能力強(qiáng)于玉米，這可能是因?yàn)樵谟衩?大豆間作體系中，大豆根系分泌更多的有機(jī)酸、磷酸酶及質(zhì)子［30-31］，促進(jìn)根際紅壤中的Fe-P、Ca-P和O-P等形態(tài)無機(jī)磷的活化，進(jìn)而促進(jìn)了玉米與大豆對土壤磷的吸收。

研究發(fā)現(xiàn)，長期施磷會(huì)增加土壤中的無機(jī)磷庫，主要來自Ca-P、Al-P、Fe-P的累積，而對O-P含量的影響不大［32-33］。本研究的試驗(yàn)結(jié)果與前人的結(jié)論也有相似之處，施磷顯著增加了玉米與大豆根際紅壤的無機(jī)磷總量，并改變土壤各形態(tài)無機(jī)磷占無機(jī)磷總量的比例。其中，F(xiàn)e-P和Al-P的比例隨著施磷量的增加而增加，而Ca-P與O-P的比例則呈下降趨勢。綜上結(jié)果表明，施磷肥主要通過提高玉米與大豆根際紅壤中有效態(tài)磷源Fe-P與Al-P的比例，降低土壤中難溶性Ca-P與O-P的比例，提高了土壤的潛在供磷能力，從而有利于降低玉米與大豆對土壤有效磷的競爭，促進(jìn)了間作群體的磷素營養(yǎng)。

4 結(jié)論

在本試驗(yàn)中，與單作相比，玉米-大豆間作顯著提高了作物生物量和促進(jìn)磷素的吸收，并具有明顯的產(chǎn)量優(yōu)勢。玉米-大豆間作顯著降低根際土壤的無機(jī)磷庫，主要以Fe-P、Ca-P和O-P等形態(tài)含量下降為主。玉米與大豆根際土壤中各形態(tài)無機(jī)磷占無機(jī)磷總量的比例主要受不同磷水平的調(diào)控，而除Fe-P外其余形態(tài)無機(jī)磷比例不受種植模式的影響。在有效磷含量偏低的紅壤上，玉米-大豆間作具有節(jié)約磷肥的空間以及維持作物產(chǎn)量、磷吸收的潛力。